Johan Warell, NE-redaktör
Molekyler är små. Mycket små. Atomerna som molekylerna är uppbyggda av är ännu mycket mindre och sitter fast i varandra. Hur gör man för att lossa på länkarna och haka fast nya atomer i varandra för att bygga nya, komplexa molekyler? Det är detta mikroskopiska hantverk som årets nobelpris i kemi uppmärksammar.
Vi känner till en enorm mängd kemiska ämnen i dag. Många av dem är utvecklade för speciella ändamål, för användning i läkemedel och i materialtillverkning. Ungefär 55 miljoner kemiska ämnen finns registrerade, men ingen vet hur många det finns totalt. De allra flesta av dessa är organiska och ingår i levande organismer. Uppenbart är att det finns fler i miljöer där kemin är mångformig, än på platser där det är kallt och där den kemiska miljön är förhållandevis homogen.
 |
|
Nobelpristagarna i kemi 2010 är (från vänster) Akira Suzuki, Ei-ichi Negishi och Richard F. Heck. |
|
IBL OCH SCANPIX |
En dynamisk, geologiskt aktiv planet med en uppsjö av både lätta och tunga grundämnen är en utomordentligt lämplig plats för molekyler att mötas. Ett exempel är planeten jorden. Under miljarder år har ämnen blandats med varandra i atmosfären, på jordytan, i haven och i jordens inre mobiliserade av en uppsjö av geologiska processer och kemiska kretslopp. Dessutom finns flytande vatten på ytan, ett ämne som gör det möjligt för kemiska föreningar att lösas upp, mötas och reagera med varandra. Enkla reaktioner gav tidigt upphov till det första livet på jorden. Exakt hur detta gick till vet vi inte, men ur den första levande urcellen utvecklades de komplexa livsformer som finns på jorden i dag.
Naturen som kemisk fabrik
Naturen är en guldgruva för kemister. Ekonomiskt och medicinskt värdefulla ämnen finns inte bara i klassiska medicinalväxter utan även i flora och fauna i exotiska biotoper som regnskog och djuphav. Där är jakten intensiv på nya arter vilkas kemiska substanser skyddar mot eller lurar fiender. Sådana ämnen har potential att användas för utveckling av antiinflammatoriska, antibakteriella och antivirala läkemedel.
Som exempel så isolerades 1990 ett cellgift, discodermolide, ur ett svampdjur som lever i Karibiska havet. Detta kemiska ämne skyddar svampdjuret mot predatorer och utvecklas nu i laboratorier till ett cancerläkemedel. Ett annat exempel är palytoxin, ett naturligt gift från en hawaiisk havsanemon som utvanns första gången 1971. Palytoxin har inte mindre än 129 kolatomer, 223 väteatomer, 54 syreatomer och tre kväveatomer – allt hopbyggt inte bara av naturen själv utan också bit för bit i laboratoriet.
Att fintrimma naturens mästerverk
Här kommer årets nobelpris i kemi in i bilden. Att modifiera ett naturligt kemiskt preparat så att det får en specifik önskad effekt i den mänskliga kroppen låter som trolleri. Men det är för sådan kemi som årets tre nobelpristagare är centrala. De har utvecklat metoder för att konstruera komplexa kemiska molekyler med önskad sammansättning på ett effektivt och resurssnålt sätt, vilket gör processen tidsmässigt och kostnadsmässigt rimlig.
Richard F. Heck, Ei-ichi Negishi och Akira Suzuki får priset för olika varianter av den så kallade palladiumkatalyserade korskopplingen. Heck började jobba med metoden redan för femtio år sedan. Han ville utveckla ett snabbare sätt att konstruera mångatomiga kolvätemolekyler än den som då fanns tillgänglig. Hecks idé var att finlira med elektronmolnet kring specifika kolatomer som satt på strategiska platser i kolrika molekyler. En ”hjälpatom” skulle användas för att ”korskoppla” två molekyler och tvinga en reaktion att äga rum. Avancerat fusk med naturens hjälp alltså. Heck valde palladium som hjälpatom.
Palladium och kol i händelsernas centrum
Varför är palladium så centralt? I reaktionerna mellan kolmolekylerna fungerar palladium som en katalysator, alltså som en aktiv kemisk knuff för att en reaktion ska inträffa. På atomnivå fungerar det ungefär så här: Alla kolatomer i naturliga organiska föreningar har ett helt fyllt moln av elektroner omkring sig. För kol handlar det om åtta stycken. Fyra av dessa elektroner måste kolet alltid låna av sina grannar. Genom att ingå i en molekyl får kolet alltså ett helt fyllt, negativt laddat moln omkring sig, skapat av elektroner i olika banor. Detta är en mycket stabil konstruktion som kolet ogärna lämnar.
Men de starka kovalenta bindningar som kolet på detta sätt skapar med andra atomer är ett hinder när man vill få en kolrik molekyl att ”haka ihop” med en annan. Eftersom det är kolatomerna som hakar i varandra måste alltså kolets vilja att byta elektroner med en annan atom ökas. Detta gör man genom att utnyttja palladium i kombination med andra atomer, såsom bor, zink och jod. Palladium är rikt på elektroner, och kol binder därför hellre med den än med en annan ”vanlig” atomgranne.
Hur man trollar med kolbindningar
För att locka kolet att binda till palladium måste dess elektronmoln prepareras. Först kan en väteatom i molekylen bytas mot en jodatom som sträcker ut kolets elektronmoln och därmed gör kolet benäget att binda med en palladiumatom. I nästa steg kan samma palladiumatom förmås att binda även till en kolatom i en annan molekyl. Denna kolatom prepareras genom att en zinkatom införs i molekylen, vilket gör kolets elektronmoln alldeles lagom stort för att knyta an till palladiet.
Nu är de två molekylerna kopplade via palladium, som måste bort. Det är i detta steg som palladium fullbordar sitt verk som katalysator — de två kolatomernas närhet till varandra via palladiet får dem att naturligt dela sina elektronmoln. Kolatomerna binds ihop, palladiet blir över och lämnar strukturen. Korskopplingen är klar!
Har årets nobelpris i kemi gjort mänskligheten den största nytta? Jo, därom råder inget tvivel. Inte bara förbättrade och specialiserade läkemedel kan nu tillverkas. Andra produkter som utvecklats är tåliga polymerer som används i plaster och ljusemitterande molekyler som utnyttjas i dioder i datorskärmar. Med de allt hårdare krav som ställs på tekniken och läkarvetenskapen och allas önskan om ett friskare liv har den palladiumkatalyserade korskopplingen ljusa framtidsutsikter!
Temaartikel ur Nationalencyklopedins årsbok 2010
Nobelpriset 2010: Kemi
http://www.ne.se/rep/nobelpriset-2010-kemi
Nationalencyklopedin, 2012-05-27
Kopiera källangivelse
